一种海上风力发电机组塔基处发热设备冷却用冷却系统的制作方法

1.本实用新型涉及风力发电机组的冷却系统，具体是一种海上风力发电机组的塔基处所安装的发热设备冷却用的冷却系统。


背景技术：

2.风力发电机组主要由塔筒、叶轮组件、增速器、发电机、蓄电池组、变压器、逆流器等组成。为了减轻机舱载荷、同时便于管理，大部分风力发电机组在塔筒的底部设置有塔基平台，该塔基平台用作承载非风能转换功能的一些做功设备，例如用作电力调控的变压器、逆流器等，这尤其以海上风力发电机组最为普遍。这些布置于塔基平台上的做功设备，在做功过程中会产生大量的热量，需要及时的、持续的进行冷却处理，以防过热，从而保障它们在适当的温度范围内能够持续的运行。
3.目前，海上风力发电机组的塔基处发热设备冷却主要为水力冷却方式，其采用的冷却系统为水力吸热
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空气散热结构，其不仅功耗高、冷却效果差，而且因海上空气环境的高腐蚀性易使空气散热器发生腐蚀损坏，维护频率及成本高，稳定性差。
4.中国专利文献公开了一种适用于海上风力发电机组的水力吸热
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海水散热结构的冷却系统，例如名称为“一种海上风力发电机组的冷却装置”（公开号cn 202746113，公开日2013年02月20日）、及“一种海上风力发电机组的冷却系统”（公开号cn 105909481，公开日2016年08月31日）的专利文献等，该技术相较于水力吸热
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空气散热结构的冷却系统而言，在理论上其冷却效果优异。然而，该技术在理论上是适用于海上风力发电机组的机舱内部环境冷却的，其成型结构复杂，建设及维护成本高，难于产业化应用。


技术实现要素：

5.本实用新型的技术目的在于：针对上述海上风力发电机组的特殊性和现有技术的不足，提供一种结构简单、冷却效果优异、便于产业化应用的海上风力发电机组塔基处发热设备冷却用冷却系统。
6.本实用新型的技术目的通过下述技术方案实现：一种海上风力发电机组塔基处发热设备冷却用冷却系统，所述冷却系统主要由布置于塔基平台所承载发热设备上的吸热侧换热器、浸没于海面下的散热侧换热器、连接于所述吸热侧换热器引出端与所述散热侧换热器引入端之间的冷却介质高温侧管线、连接于所述散热侧换热器引出端与所述吸热侧换热器引入端之间的冷却介质低温侧管线组成能够供液体冷却介质流动的闭路结构，所述闭路结构中还设置有循环泵。该技术措施以海上风力发电机组的塔基平台上所承载的发热设备为对象，以水力冷却系统为基础，将散热侧换热器浸没于下方的海面之下，以海水作为散热侧换热器热交换的冷源，其冷却效果优异，功耗低；而且，该冷却系统的循环闭路结构高程（即顶侧的吸热侧换热器至底侧的散热侧换热器之间的高度）远小于现有以海水热交换的机舱冷却系统的高程，整体结构简单、易于实现，建设成本和维护成本低，便于管理，有利于产业化应用，性价比远高于现有以海水热交换的机舱冷却系统，实用性强。
7.作为优选方案之一，所述冷却系统的吸热侧换热器与所述塔基平台上的发热设备形成一对一配合关系，当所述吸热侧换热器的数量≥2部时，各吸热侧换热器的引入端分别连接有对应的冷却介质低温侧管线、引出端汇集于所述冷却介质高温侧管线上；该技术措施有利于对塔基平台上的不同发热设备实现差异化的冷却调控（例如，通过对流经不同发热设备上的冷却介质流量进行调控等），灵活性好。或者，所述冷却系统的吸热侧换热器与所述塔基平台上的发热设备形成多对一配合关系，各吸热侧换热器的引入端分别连接有对应的冷却介质低温侧管线、引出端汇集于所述冷却介质高温侧管线上；该技术措施有利于对塔基平台上的同一发热设备的不同发热区域实现差异化的冷却调控（例如，通过对流经不同区域的冷却介质流量进行调控等），灵活性好。
8.作为优选方案之一，所述冷却系统的循环泵设置在所述冷却介质高温侧管线上；该技术措施既有利于整体结构的简单化，又能有效地避免冷却介质泵送循环与分流冷却（即多根冷却介质低温侧管线的排布结构）之间的相互干扰，便于分流冷却结构的可靠实现。进一步的，所述循环泵上游侧的所述冷却介质高温侧管线上连接有膨胀补偿罐和节温三通阀，所述节温三通阀通过节温管线与冷却介质低温侧管线相连接，所述节温管线的上游端处在吸热侧换热器引入端的上游侧；该技术措施通过膨胀补偿罐能够有效调控循环闭路内的泵压趋于平稳，通过节温三通阀和节温管线能够有效调控经过吸热侧换热器内的冷却介质流量，使冷却效果能够灵活可控。再进一步的，所述节温管线下游侧的冷却介质低温侧管线上设置有限流控制阀一；所述节温三通阀上游侧的冷却介质高温侧管线上设置有限流控制阀二。
9.作为优选方案之一，所述冷却介质低温侧管线上连接有过滤器。
10.作为优选方案之一，所述散热侧换热器固定于海面下的塔筒上，所述散热侧换热器在海面下的浸没深度为低潮位海面之下至少1m。该技术措施在实现热交换技术目的的同时，能够有效减小循环闭路结构的高程；此外，亦有利于控制建设及维护成本。
11.作为优选方案之一，所述散热侧换热器主要由进液室、出液室和若干根分散排布于所述进液室与所述出液室之间的换热管组成，所述进液室与冷却介质高温侧管线相连接，所述出液室与冷却介质低温侧管线相连接，所述进液室的成型壳体、所述出液室的成型壳体、所述换热管分别为钛材结构，浸没于海面下的所述散热侧换热器的换热管直接与海水接触。该技术措施针对于散热侧换热器浸没于海水内的特殊性，既具有优异、高效的换热性能，又能够有效地耐海水腐蚀，有利于稳定、长效的运行。
12.作为优选方案之一，所述冷却介质高温侧管线和/或所述冷却介质低温侧管线为双相不锈钢管结构。该技术措施能够有效地耐海水及海上空气的腐蚀，有利于稳定、长效的运行。
13.作为优选方案之一，所述发热设备至少包括安装于塔基平台上的变压器。
14.本实用新型的有益技术效果是：上述技术措施以海上风力发电机组的塔基平台上所承载的发热设备为对象，以水力冷却系统为基础，将散热侧换热器浸没于下方的海面之下，以海水作为散热侧换热器热交换的冷源，其冷却效果优异、效率高，功耗低，噪音亦低；而且，该冷却系统的循环闭路结构高程（即顶侧的吸热侧换热器至底侧的散热侧换热器之间的高度）远小于现有以海水热交换的机舱冷却系统的高程，整体结构简单、易于实现，建设成本和维护成本低，便于管理，有利于产业化应用，性价比远高于现有以海水热交换的机
舱冷却系统，实用性强。
附图说明
15.图1为本实用新型的一种原理框图。
16.图2为本实用新型的一种结构示意图。
17.图中代号含义：1—吸热侧换热器；2—冷却介质高温侧管线；3—节温三通阀；4—膨胀补偿罐；5—循环泵；6—散热侧换热器；7—过滤器；8—冷却介质低温侧管线；9—节温管线；10—发热设备；11—海床；12—塔筒；13—塔基平台；14—海平面；15—低潮位海面；16—高潮位海面；17—限流控制阀一；18—限流控制阀二。
具体实施方式
18.本实用新型涉及风力发电机组的冷却系统，具体是一种海上风力发电机组的塔基处所安装的发热设备冷却用的冷却系统，下面以多个实施例对本实用新型的主体技术内容进行详细说明。其中，实施例1结合说明书附图
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即图1和图2对本实用新型的技术方案内容进行清楚、详细的阐释；其它实施例虽未单独绘制附图，但其主体结构仍可参照实施例1的附图。
19.在此需要特别说明的是，本实用新型的附图是示意性的，其为了清楚本实用新型的技术目的已经简化了不必要的细节，以避免模糊了本实用新型贡献于现有技术的技术方案。
20.实施例1
21.参见图1和图2所示，本实用新型以海上风力发电机组的塔筒12底部塔基平台13上所承载的变压器为需要冷却的对象，即变压器为发热设备10。前述塔基平台13虽然成型在塔筒12的底部，但其位置高于高潮位海面16，当然也就高于海平面14和低潮位海面15，也就是说，该塔筒底部指的是塔筒12临近海面处的区域，而非塔筒12根部处的区域，因为塔筒12的根部是锚固于海面之下的海床11上的，这个不同于陆上风力发电机组。
22.本实用新型包括一部吸热侧换热器1、一组冷却介质高温侧管线2、一部散热侧换热器6、一组冷却介质低温侧管线8、一部循环泵5。
23.具体的，吸热侧换热器1布置于上述塔基平台13所承载的发热设备10上，其结构形成采用常规方式，例如盘管结构、夹套结构等。
24.吸热侧换热器1具有冷却介质的引入端和冷却介质的引出端。吸热侧换热器1的引入端与冷却介质低温侧管线8的下游端密封连接，该冷却介质低温侧管线8为双相不锈钢管结构。吸热侧换热器1的引出端与冷却介质高温侧管线2的上游端密封连接，该冷却介质高温侧管线2亦为双相不锈钢管结构。
25.散热侧换热器6主要由进液室、出液室和若干根分散排布于进液室与出液室之间的换热管组成，相邻换热管之间具有供换热冷源
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海水穿流的间隙。散热侧换热器6的进液室作为冷却介质引入端的排布处，上述冷却介质高温侧管线2的下游端密封连接在进液室上，即冷却介质高温侧管线2连接于吸热侧换热器1的引出端与散热侧换热器6的引入端之间。散热侧换热器6的出液室作为冷却介质引出端的排布处，上述冷却介质低温侧管线8的上游端密封连接在出液室上，即冷却介质低温侧管线8连接于散热侧换热器6的引出端与吸
热侧换热器1的引入端之间。
26.上述散热侧换热器6的进液室成型壳体、出液室成型壳体、以及各换热管分别为钛材结构。
27.上述结构组成了能够使冷却介质（通常为乙二醇/丙二醇、水、缓蚀剂的混合液）流动的闭路结构。当然，在闭路结构中，没有泵送压力，冷却介质是难以实现循环流动的，尤其是在此种高程排布的闭路结构中，因而，循环泵5设置在闭路结构中，通常是设置在冷却介质高温侧管线2上的。在循环泵5的作用下，储存于闭路结构中的冷却介质即可实现循环流程，至于循环泵5的泵送压力则视高程及压力要求而选择适当的即可。
28.上述结构组成的闭路结构中，散热侧换热器6通过支架等可拆卸的固定于海面下的塔筒12上，散热侧换热器6在海面下的浸没深度约为低潮位海面15之下的2m，通常不得高于低潮位海面15之下的1m，在低潮位海面15之下的1～3m范围内合理选择即可。浸没于海面下的散热侧换热器6的各换热管直接与海水接触换热，换热效果优异、效率高。
29.在上述循环闭路结构中，为了净化过滤冷却介质中的杂质，在冷却介质低温侧管线8上密封连接有过滤器7。该过滤器7具有外部可疏通的旁通接头。
30.在上述循环闭路结构中，为了调控泵送压力，在循环泵5上游侧的冷却介质高温侧管线2上密封连接有膨胀补偿罐4。
31.在上述循环闭路结构中，为了调控冷却介质的流量，在膨胀补偿罐4上游侧的冷却介质高温侧管线2上密封连接有节温三通阀3，该节温三通阀3的一个接头连接有节温管线9。节温管线9的上游端与上述过滤器7下游侧的冷却介质低温侧管线8密封连接，处在吸热侧换热器1引入端的上游侧，即节温三通阀3通过节温管线9与冷却介质低温侧管线8相连接。前述节温管线9下游侧的冷却介质低温侧管线8上设置有限流控制阀一17。前述节温三通阀3上游侧的冷却介质高温侧管线2上设置有限流控制阀二18。
32.如此，本实施例使吸热侧换热器与塔基平台上的发热设备之间形成了一对一的配合关系。
33.实施例2
34.本实用新型以海上风力发电机组的塔筒底部塔基平台上所承载的变压器、逆流器为需要冷却的对象，即变压器、逆流器分别为发热设备。前述塔基平台虽然成型在塔筒的底部，但其位置高于高潮位海面，当然也就高于海平面和低潮位海面，也就是说，该塔筒底部指的是塔筒临近海面处的区域，而非塔筒根部处的区域，因为塔筒的根部是锚固于海面之下的海床上的，这个不同于陆上风力发电机组。
35.本实用新型包括两部吸热侧换热器、一组冷却介质高温侧管线、一部散热侧换热器、两组冷却介质低温侧管线、一部循环泵。
36.具体的，吸热侧换热器一布置于上述塔基平台所承载的发热设备
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变压器上，其结构形成采用常规方式，例如盘管结构、夹套结构等。
37.吸热侧换热器一具有冷却介质的引入端和冷却介质的引出端。吸热侧换热器一的引入端与冷却介质低温侧管线一的下游端密封连接，该冷却介质低温侧管线一为双相不锈钢管结构。吸热侧换热器一的引出端通过转接管线与冷却介质高温侧管线的上游端密封连接，该冷却介质高温侧管线亦为双相不锈钢管结构。
38.吸热侧换热器二布置于上述塔基平台所承载的发热设备
‑
逆流器上，其结构形成
采用常规方式，例如盘管结构、夹套结构等。
39.吸热侧换热器二具有冷却介质的引入端和冷却介质的引出端。吸热侧换热器二的引入端与冷却介质低温侧管线二的下游端密封连接，该冷却介质低温侧管线二为双相不锈钢管结构。吸热侧换热器二的引出端通过转接管线与冷却介质高温侧管线的上游端密封连接。
40.散热侧换热器主要由进液室、出液室和若干根分散排布于进液室与出液室之间的换热管组成，相邻换热管之间具有供换热冷源
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海水穿流的间隙。散热侧换热器的进液室作为冷却介质引入端的排布处，上述冷却介质高温侧管线的下游端密封连接在进液室上，即冷却介质高温侧管线连接于吸热侧换热器（吸热侧换热器一、吸热侧换热器二）的引出端与散热侧换热器的引入端之间。散热侧换热器的出液室作为冷却介质引出端的排布处，上述冷却介质低温侧管线一、冷却介质低温侧管线二的上游端分别密封连接在出液室上，即冷却介质低温侧管线（冷却介质低温侧管线一、冷却介质低温侧管线二）连接于散热侧换热器的引出端与吸热侧换热器（吸热侧换热器一、吸热侧换热器二）的引入端之间。
41.上述散热侧换热器的进液室成型壳体、出液室成型壳体、以及各换热管分别为钛材结构。
42.上述结构组成了能够使冷却介质（通常为乙二醇/丙二醇、水、缓蚀剂的混合液）流动的闭路结构。当然，在闭路结构中，没有泵送压力，冷却介质是难以实现循环流动的，尤其是在此种高程排布的闭路结构中，因而，循环泵设置在闭路结构中，循环泵设置在冷却介质高温侧管线上。在循环泵的作用下，储存于闭路结构中的冷却介质即可实现循环流程，至于循环泵的泵送压力则视高程及压力要求而选择适当的即可。
43.上述结构组成的循环闭路结构中，散热侧换热器通过支架等可拆卸的固定于海面下的塔筒上，散热侧换热器在海面下的浸没深度约为低潮位海面15之下的2m，通常不得高于低潮位海面之下的1m，在低潮位海面之下的1～3m范围内合理选择即可。浸没于海面下的散热侧换热器的各换热管直接与海水接触换热，换热效果优异、效率高。
44.在上述循环闭路结构中，为了净化过滤冷却介质中的杂质，在冷却介质低温侧管线一上密封连接有过滤器一，该过滤器一具有外部可疏通的旁通接头。在冷却介质低温侧管线二上密封连接有过滤器二，该过滤器二具有外部可疏通的旁通接头。
45.在上述循环闭路结构中，为了调控泵送压力，在循环泵上游侧的冷却介质高温侧管线上密封连接有膨胀补偿罐。
46.在上述循环闭路结构中，为了调控冷却介质的流量，在膨胀补偿罐上游侧的冷却介质高温侧管线上密封连接有节温三通阀，该节温三通阀的一个接头连接有节温管线。节温管线的上游端为分叉结构，节温管线的一个分叉接头的上游端与上述过滤器一下游侧的冷却介质低温侧管线一密封连接，处在吸热侧换热器一引入端的上游侧；节温管线的另一个分叉接头的上游端与上述过滤器二下游侧的冷却介质低温侧管线二密封连接，处在吸热侧换热器二引入端的上游侧；即节温三通阀通过节温管线与冷却介质低温侧管线相连接。前述节温管线下游侧的冷却介质低温侧管线一上设置有第一限流控制阀一。前述节温管线下游侧的冷却介质低温侧管线二上设置有第二限流控制阀一。前述节温三通阀上游侧的冷却介质高温侧管线上设置有限流控制阀二。
47.在本实施例中，冷却介质低温侧管线一和冷却介质低温侧管线二在散热侧换热器
的引出端形成了并联连接。除此之外，还可以根据变压器与逆流器的不同发热量，将散热侧换热器的引出端位置随着散热侧换热器的流程形成差异化，从而形成串联式排布结构，使冷却介质低温侧管线一和冷却介质低温侧管线二在散热侧换热器上形成串联连接。
48.如此，本实施例使吸热侧换热器与塔基平台上的不同发热设备之间形成了一对一的配合关系。
49.实施例3
50.本实用新型以海上风力发电机组的塔筒底部塔基平台上所承载的变压器为需要冷却的对象，即变压器为发热设备。前述塔基平台虽然成型在塔筒的底部，但其位置高于高潮位海面，当然也就高于海平面和低潮位海面，也就是说，该塔筒底部指的是塔筒临近海面处的区域，而非塔筒根部处的区域，因为塔筒的根部是锚固于海面之下的海床上的，这个不同于陆上风力发电机组。
51.本实用新型包括两部吸热侧换热器、一组冷却介质高温侧管线、一部散热侧换热器、两组冷却介质低温侧管线、一部循环泵。
52.具体的，发热设备根据做功时不同区域的发热状态，形成高发热量区域和低发热量区域，即同一发热设备上形成不同的发热区域划分。高发热量区域用作布置吸热侧换热器一，吸热侧换热器一的结构形成采用常规方式，例如盘管结构、夹套结构等；低发热量区域用作布置吸热侧换热器二，吸热侧换热器二的结构形成采用常规方式，例如盘管结构、夹套结构等。
53.吸热侧换热器一具有冷却介质的引入端和冷却介质的引出端。吸热侧换热器一的引入端与冷却介质低温侧管线一的下游端密封连接，该冷却介质低温侧管线一为双相不锈钢管结构。吸热侧换热器一的引出端通过转接管线与冷却介质高温侧管线的上游端密封连接，该冷却介质高温侧管线亦为双相不锈钢管结构。
54.吸热侧换热器二具有冷却介质的引入端和冷却介质的引出端。吸热侧换热器二的引入端与冷却介质低温侧管线二的下游端密封连接，该冷却介质低温侧管线二为双相不锈钢管结构。吸热侧换热器二的引出端通过转接管线与冷却介质高温侧管线的上游端密封连接。
55.散热侧换热器主要由进液室、出液室和若干根分散排布于进液室与出液室之间的换热管组成，相邻换热管之间具有供换热冷源
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海水穿流的间隙。散热侧换热器的进液室作为冷却介质引入端的排布处，上述冷却介质高温侧管线的下游端密封连接在进液室上，即冷却介质高温侧管线连接于吸热侧换热器（吸热侧换热器一、吸热侧换热器二）的引出端与散热侧换热器的引入端之间。散热侧换热器的出液室作为冷却介质引出端的排布处，上述冷却介质低温侧管线一、冷却介质低温侧管线二的上游端分别密封连接在出液室上，即冷却介质低温侧管线（冷却介质低温侧管线一、冷却介质低温侧管线二）连接于散热侧换热器的引出端与吸热侧换热器（吸热侧换热器一、吸热侧换热器二）的引入端之间。
56.上述散热侧换热器的进液室成型壳体、出液室成型壳体、以及各换热管分别为钛材结构。
57.上述结构组成了能够使冷却介质（通常为乙二醇/丙二醇、水、缓蚀剂的混合液）流动的闭路结构。当然，在闭路结构中，没有泵送压力，冷却介质是难以实现循环流动的，尤其是在此种高程排布的闭路结构中，因而，循环泵设置在闭路结构中，循环泵设置在冷却介质
高温侧管线上。在循环泵的作用下，储存于循环闭路结构中的冷却介质即可实现循环流程，至于循环泵的泵送压力则视高程及压力要求而选择适当的即可。
58.上述结构组成的循环闭路结构中，散热侧换热器通过支架等可拆卸的固定于海面下的塔筒上，散热侧换热器在海面下的浸没深度约为低潮位海面15之下的2m，通常不得高于低潮位海面之下的1m，在低潮位海面之下的1～3m范围内合理选择即可。浸没于海面下的散热侧换热器的各换热管直接与海水接触换热，换热效果优异、效率高。
59.在上述循环闭路结构中，为了净化过滤冷却介质中的杂质，在冷却介质低温侧管线一上密封连接有过滤器一，该过滤器一具有外部可疏通的旁通接头。在冷却介质低温侧管线二上密封连接有过滤器二，该过滤器二具有外部可疏通的旁通接头。
60.在上述循环闭路结构中，为了调控泵送压力，在循环泵上游侧的冷却介质高温侧管线上密封连接有膨胀补偿罐。
61.在上述循环闭路结构中，为了调控冷却介质的流量，在膨胀补偿罐上游侧的冷却介质高温侧管线上密封连接有节温三通阀，该节温三通阀的一个接头连接有节温管线。节温管线的上游端为分叉结构，节温管线的一个分叉接头的上游端与上述过滤器一下游侧的冷却介质低温侧管线一密封连接，处在吸热侧换热器一引入端的上游侧；节温管线的另一个分叉接头的上游端与上述过滤器二下游侧的冷却介质低温侧管线二密封连接，处在吸热侧换热器二引入端的上游侧；即节温三通阀通过节温管线与冷却介质低温侧管线相连接。前述节温管线下游侧的冷却介质低温侧管线一上设置有第一限流控制阀一。前述节温管线下游侧的冷却介质低温侧管线二上设置有第二限流控制阀一。前述节温三通阀上游侧的冷却介质高温侧管线上设置有限流控制阀二。
62.在本实施例中，冷却介质低温侧管线一和冷却介质低温侧管线二在散热侧换热器的引出端形成了并联连接。除此之外，还可以根据变压器不同发热区域的发热量，将散热侧换热器的引出端位置随着散热侧换热器的流程形成差异化，从而形成串联式排布结构，使冷却介质低温侧管线一和冷却介质低温侧管线二在散热侧换热器上形成串联连接。
63.如此，本实施例使吸热侧换热器与塔基平台上的同一发热设备之间形成了多对一的配合关系。
64.对于上文所述的技术内容，还需要作如下特别说明：
65.‑
上文中所述及的指示相对温度的“低温侧”、“高温侧”，是基于冷却介质在循环闭路结构中的吸热前温度变化状态和吸热后温度变化状态而言的，以表明冷却介质的循环流程；
66.‑
上文中所述及的指示相对流程的“上游”、“下游”，是基于冷却介质在循环闭路结构中的流动方向而言的，以表明冷却介质的循环流程；
67.‑
上文中所述及的指示相对热交换的“吸热侧”，是基于冷却介质与发热设备之间的换热而言；上文中所述及的指示相对热交换的“散热侧”，是基于冷却介质与海水之间的换热而言；
68.‑
上文中所述及的指示海面相对高度的“海平面”，是当前海域的海面在潮位数据中无潮汐、波浪、海涌或其他扰动因素引起波动的平均高度；上文中所述及的指示海面相对高度的“低潮位海面”，是当前海域的海面在潮位数据中处于潮汐涨落最低点时的平均高度；上文中所述及的指示海面相对高度的“高潮位海面”，是当前海域的海面在潮位数据中
处于潮汐涨落最高点时的平均高度。
69.以上各实施例仅用以说明本实用新型，而非对其限制。尽管参照上述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对上述实施例进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型的精神和范围。